一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法技术

本发明专利技术公开一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法：确定无人机集群名义编队构型，根据无人机集群名义编队构型选择领航无人机；确定无人机集群的通信拓扑，基于该通信拓扑和名义编队构型，求解无人机集群的应力矩阵；计算领航无人机与环境中的障碍间的避障势函数；生成领航无人机的期望位置和速度；计算领航无人机的有限时间飞行控制律；更新领航无人机的飞行状态；计算跟随无人机的有限时间飞行控制律；更新跟随无人机的飞行状态；持续该过程直至满足终止条件。本发明专利技术方法实现简单，在无人机集群的编队形状上具有很大灵活性，保证无人机集群能在有限时间内形成时变编队构型，对不确定环境和机动变化具有很好的适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法
本专利技术涉及一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，属于无人机集群协同控制

技术介绍
无人机集群通过信息的交互共享，可以功能分布化的形式执行协同搜索、救援、侦察和打击等任务，从而有效提高体系生存率和任务执行能力，具有部署方式灵活、鲁棒性强和可扩展性好等诸多优势。无人机集群编队飞行是指多架具有自主能力的无人机按照一定几何构型进行三维空间排列，且在飞行过程中可保持稳定队形，并能根据外部环境和任务需求等动态调整编队构型。目前常见的无人机编队飞行控制方法主要包括基于行为、虚拟结构、一致性理论和仿生的方法等。这些方法大多集中在使无人机集群按照一定的几何构型进行三维空间部署，即通过对无人机集群内部机间的位置、位移或方位等分别施加一定的代数约束。虽然这些方法在解决无人机集群的编队飞行控制问题方面已经取得了很大的进展，但是这些方法在实际应用中仍然具有很大的局限性。其中，无人机集群的编队飞行控制要求每架无人机在复杂不确定的环境中仅利用有限的局部信息，形成某种面向任务的几何构型，并保持该构型协同机动以完成任务。然而，上述编队飞行控制方法难以解决不同机动条件下具有时变的平移、旋转和变尺度的编队控制问题。此外，目前大多数的编队控制方法都集中在渐近收敛到期望的编队构型，这意味着所期望的编队构型不能在有限时间内得到保证。然而从实际应用来看，无人机集群快速集结形成期望的编队构型以及快速避开飞行环境中的障碍物，并在避开障碍物后能够快速形成新的编队构型对无人机集群至关重要。针对现有无人机编队飞行控制方法在编队构型设计不灵活、鲁棒性和适应性能力不足的问题，本专利技术旨在通过设计一种无碰撞的无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，提高无人机集群对不确定飞行环境和机动变化的适应能力。与其他编队飞行控制方法相比，该方法不需要通过指定无人机机间的绝对位置、方位或相对位置、方位来定义无人机集群的编队构型。相反地，该方法基于仿射变换的性质，通过对无人机集群的名义编队构型进行仿射变换可以得到时变的编队构型；结合所设计的无人机与飞行环境中障碍间的成对光滑避障势函数，基于Lyapunov有限时间稳定性理论设计有限时间仿射编队飞行控制律，通过控制集群中的少数无人机(领航无人机)的机动就可以使整个无人机集群在有限时间内形成并保持新的编队构型，并避免无人机与障碍物发生碰撞，保障无人机集群的安全。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提供了一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其目的是提供一种分布式的有限时间无人机集群时变编队飞行控制方法，旨在提高无人机集群对不确定飞行环境和机动变化的适应能力，从而有效提高无人机集群编队飞行水平。2、技术方案：本专利技术针对受限环境下的无人机集群协同控制问题，提供了一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，该方法的实现框图如图1所示，主要的实现步骤如下：步骤一：初始化在三维空间中，随机生成n≥4架无人机的初始飞行状态，包括空间位置pi＝[xi,yi,zi]T、空速Vi、航向角ψi和高度变化率hi，其中下标i表示无人机的编号。在无人机集群的飞行环境中放置no个边界光滑的障碍物，初始化最大仿真时间Tmax和采样时间Ts。步骤二：确定无人机集群的名义编队构型，并根据无人机集群的名义编队构型选择领航无人机根据无人机集群的任务需求，确定无人机集群的名义编队构型p为：其中，名义编队构型为无人机集群系统在无扰动的理想环境中需要保持的编队构型。此外，名义编队构型的增广矩阵需满足将使得名义编队构型的增广矩阵行线性无关的4架无人机作为领航无人机，剩余的n-4架无人机作为跟随无人机。步骤三：确定无人机集群的通信拓扑，并基于该通信拓扑和名义编队构型，求解无人机集群的应力矩阵用有向图G＝(V,E)来描述该无人机集群系统的通信拓扑，其中顶点集V＝{1,2,3,…,n}表示无人机的编号，边集表示无人机集群内部无人机间的交互关系，边(i,j)∈E表示无人机i可以接受来自无人机j的信息。根据无人机集群中领航无人机和跟随无人机的不同，进一步将顶点集V划分为领航无人机顶点集Vl和跟随无人机顶点集Vf，其关系满足V＝Vf∪Vl，将无人机i的邻域无人机集合定义为Ni＝{j|(i,j)∈E,用wij来描述无人机集群系统中无人机i与无人机j之间的交互强度，则可以得到与无人机集群通信拓扑G相对应的应力矩阵Ω＝[Ωij]∈Rn×n为：其中，无人机集群内部个体间的交互强度wij需满足以下代数约束：即：无人机集群中的任意一架无人机i的领域内的无人机j∈Ni对其施加的力是平衡的。基于无人机集群的通信拓扑G、如式(1)所示的无人机集群名义编队构型p以及如式(3)所示的代数约束，根据无人机集群中领航无人机和跟随无人机的不同，进一步将无人机集群的应力矩阵Ω划分为如下形式：其中，Ωll表示领航无人机之间的交互应力矩阵，Ωlf表示领航无人机与跟随无人机之间的交互应力矩阵，Ωfl表示跟随无人机与领航无人机之间的交互应力矩阵，Ωff表示跟随无人机之间的交互应力矩阵。无人机集群的应力矩阵的秩需满足rank(Ω)＝n-4。步骤四：计算领航无人机与环境中的障碍物间的避障势函数对于每架领航无人机i∈Vl，定义dsen为无人机i的障碍感知半径，通过判断障碍物是否处于无人机的障碍感知范围内，确定无人机i的邻域障碍集合为：其中，no表示无人机集群飞行环境中存在的障碍物的数量，表示无人机i在障碍物Ok边界上的投影位置向量，即：其中，pok表示障碍物Ok边界上的任意一点。基于无人机i的邻域障碍集合根据式(7)计算无人机i与其感知区域内的障碍物间的光滑避障势函数其中，υ∈R+为位置向量差的σ-范数，为势，dsafe为无人机需与障碍物保持的最小安全距离，且其中，ρε(·)为光滑的激活函数，用于在无人机感知到飞行环境中的障碍物时激活无人机的避障模式，其表达式为：其中，0＜ε＜1。基于无人机i的邻域障碍集合根据式(10)确定其障碍检测标志fi：步骤五：生成领航无人机的期望位置和期望速度对于无人机集群中的领航无人机i∈Vl，生成领航无人机i在该时刻的期望位置向量期望速度向量和期望速度向量的一阶导数步骤六：计算领航无人机的有限时间飞行控制律对于无人机集群中的领航无人机i∈Vl，计算领航无人机i的实际位置pi与期望位置之间的误差向量和实际速度与期望速度之间的误差向量其中，然后，基于所获得的位置误差向量和速度误差向量由式(7)得到的无人机与障碍物间的光滑避障势函数以及由式(10)得到的无人机障碍检测标志fi，设计如式(11)所示的领航无人机i的类滑模变量si为：其中，c1i＞0、c2i＞0、c3i＞0、c4i＞0和γ1i＞1均为常数，sgn(·)为符号函数。用于计算位置误差向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其特征在于：该方法步骤如下：/n步骤一：初始化/n在三维空间中，随机生成n≥4架无人机的初始飞行状态，包括空间位置p

【技术特征摘要】
1.一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤一：初始化
在三维空间中，随机生成n≥4架无人机的初始飞行状态，包括空间位置pi＝[xi,yi,zi]T、空速Vi、航向角ψi和高度变化率hi，其中下标i表示无人机的编号；在无人机集群的飞行环境中放置no个边界光滑的障碍物，初始化最大仿真时间Tmax和采样时间Ts；
步骤二：确定无人机集群的名义编队构型，并根据无人机集群的名义编队构型选择领航无人机；
步骤三：确定无人机集群的通信拓扑，并基于该通信拓扑和名义编队构型，求解无人机集群的应力矩阵；
步骤四：计算领航无人机与环境中的障碍物间的避障势函数；
步骤五：生成领航无人机的期望位置和期望速度
对于无人机集群中的领航无人机i∈Vl，生成领航无人机i在该时刻的期望位置向量期望速度向量和期望速度向量的一阶导数
步骤六：计算领航无人机的有限时间飞行控制律；
步骤七：更新领航无人机的飞行状态
将自动驾驶仪控制指令代入领航无人机i的动力学模型中，然后更新领航无人机i的飞行状态，得到下一时刻无人机i的位置pi＝[xi,yi,zi]T，速度Vi，航向ψi和高度变化率hi；
步骤八：计算跟随无人机的有限时间飞行控制律；
步骤九：更新跟随无人机的飞行状态
将由步骤八计算得到的自动驾驶仪控制指令代入跟随无人机j的动力学模型中，然后更新跟随无人机j的飞行状态，得到下一时刻无人机j的位置pj＝[xj,yj,zj]T，速度Vj，航向ψj和高度变化率hj；
步骤十：判断是否停止迭代
仿真迭代次数t＝t+Ts；若t大于最大仿真时间Tmax，则仿真结束，进入步骤十一；否则，返回步骤四；
步骤十一：输出无人机集群在受限环境中的仿射编队飞行控制结果。


2.根据权利要求1所述的一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其特征在于：步骤二所述选择领航无人机，具体过程如下：
根据无人机集群的任务需求，确定无人机集群的名义编队构型为：



其中，名义编队构型为无人机集群系统在无扰动的理想环境中需要保持的编队构型；此外，名义编队构型的增广矩阵需满足
将使得名义编队构型的增广矩阵行线性无关的4架无人机作为领航无人机，剩余的n-4架无人机作为跟随无人机。


3.根据权利要求1所述的一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其特征在于：所述步骤三的具体过程如下：
用有向图G＝(V,E)来描述该无人机集群系统的通信拓扑，其中顶点集V＝{1,2,3,…,n}表示无人机的编号，边集表示无人机集群内部无人机间的交互关系，边(i,j)∈E表示无人机i可以接受来自无人机j的信息；根据无人机集群中领航无人机和跟随无人机的不同，进一步将顶点集V划分为领航无人机顶点集Vl和跟随无人机顶点集Vf，其关系满足V＝Vf∪Vl，将无人机i的邻域无人机集合定义为用wij来描述无人机集群系统中无人机i与无人机j之间的交互强度，则可以得到与无人机集群通信拓扑G相对应的应力矩阵Ω＝[Ωij]∈Rn×n为：



其中，无人机集群内部个体间的交互强度wij需满足以下代数约束：



即：无人机集群中的任意一架无人机i的领域内的无人机j∈Ni对其施加的力是平衡的；
基于无人机集群的通信拓扑G、如式(1)所示的无人机集群名义编队构型以及如式(3)所示的代数约束，根据无人机集群中领航无人机和跟随无人机的不同，进一步将无人机集群的应力矩阵Ω划分为如下形式：



其中，Ωll表示领航无人机之间的交互应力矩阵，Ωlf表示领航...

【专利技术属性】
技术研发人员：段海滨，陈琳，魏晨，邓亦敏，李卫琪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11